CH681829A5 - - Google Patents

Description

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50zBeschreibung

Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäss auf einen Wärmeaustauscher für den Entzug von Kristallisationswärme aus einer Flüssigkeit, insbes. für Wärmepumpenanlagen und Eisspeicherkühlanlagen, - mit zumindest einem durch eine Wärmeaustauscherwand begrenzten Strömungskanal für ein Wärmeträgermedium, wobei die Wärmeaustauscherwand wärmeleitende Kristallisationsbereiche und wärmedämmende Isolationsbereiche aufweist und wobei die Isolationsbereiche die Kristallisationsbereiche voneinander trennen und dabei umfangssei-tig gitterartig ein schliessen. - Als Flüssigkeit ist Wasser, das bei Abkühlung unter Abgabe seiner Kristallisationswärme zu Eis kristallisiert, beispielhaft zu nennen und in der Praxis von besonderer Bedeutung.

Der aus der DE-AS 2 919 250 bekannte gattungs-gemässe Wärmeaustauscher wird vornehmlich zur Herstellung von Stückeis eingesetzt. Im Rahmen der bekannten Massnahmen wird die periodische Eisablösung durch eine Richtungsumkehr des Wärmetransports in der zugeordneten Wärmepumpenanlage bzw. Kälteanlage eingeleitet. Daneben findet in der Praxis auch das periodische Austauschen des kalten Wärmeträgermediums durch eine heisse Flüssigkeit unter Verwendung eines aufwendigen Ventilsteuersystems Anwendung. Bei der Erwärmung des Wärmetauschers entsteht zwischen der Wärmeaustauscherwand und dem aussenseitig gebildeten Eis ein Wasserspalt mit der Folge, dass sich die Eisstücke ablösen. Nachteilig ist, dass der Ablösevorgang langsam voranschreitet und die langsame und ungleichmässige Erwärmung des Wärmeaustauschers zu einem beachtlichen Eisschmeiz-verlust führt. Die auf den Abtauvorgang zurückzuführenden Leistungsverluste können 20 bis 30% der Kälteleistung betragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemässen Wärmeaustauscher so weiter auszubilden, dass eine Ablösung des Kristallverbundes, unter weitestgehender Vermeidung von Schmelzverlusten möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, dass auf der Wärmeaustauscherwand aussenseitig eine elektrische Flächenheizung aus Dünnschichten angeordnet ist, welche die Kristallisationsbereiche und die Isolationsbereiche überdeckt. Die Aus-senseite der Wärmeaustauscherwand bezeichnet dabei die Fläche, die mit der zu kühlenden Flüssigkeit in Berührung kommt. Dünnschichten sind nach Lehre der Erfindung solche Schichten, die durch bekannte Auftragsverfahren, vornehmlich durch eine chemische oder physikalische Schichtabschei-dung aus der Gasphase oder durch thermische Spritzverfahren, hergestellt werden. - Die Verwendung von elektrischen Flächenheizungen ist bei Eiskondensatoren für Gefriertrocknungsanlagen bekannt (W. Beer, Dissertation an der RWTH Aachen, 1979). Die bekannte Flächenheizung arbeitet mit einem vergleichsweise steifen Drahtgewebe als Heizelement. Dabei werden hohe Heizleistungen im Bereich von 100 KW/m2 aufgebracht. Trotz der hohen Heizleistungen kommt es nicht selten zu Störungen beim Ablösen der Eisschichten, die auf eine ungleichmässige Erwärmung der Flächenheizung und auf die Bildung von Eisbrücken an den Rändern der Kondensatorflächen zurückzuführen sind. Die Verwendung von Flächenheizungen bei Eiskondensatoren hat die technische Entwicklung von gattungsgemässen Wärmeaustauschern, die in Flüssigkeiten eingesetzt werden, nicht beeinflusst.

Bei dem erfindungsgemässen Wärmeaustauscher sind die Kristallisationsbereiche durch Isolationsbereiche getrennt und von diesen umfangsseitig eingeschlossen. Die Isolationsbereiche bilden gleichsam ein die Kristallisationsbereiche ein-schliessendes Gitter. Am Beispiel des Systems Wasser/Eis erläutert, bilden sich beim bestimmungs-gemässen Betrieb des Wärmetauschers auf den Kristallisationsbereichen einzelne Eisplatten, die durch eine dünne, die Isolationsbereiche überdeckende Eisschicht miteinander verbunden sind. Wird die Flächenheizung eingeschaltet, so schmilzt zunächst die dünne Eisschicht über den Isolationsbereichen. In der Grenzschicht zwischen den Kristallisationsbereichen und den Eisplatten bildet sich ferner ein Wasserspalt. Hat der Wasserspalt eine Dicke von 0,04 bis 0,10 mm erreicht, so lösen sich die Eisplatten von der Wärmeaustauscherwand ab und schwimmen einzeln aufgrund der auf sie wirkenden Auftriebskräfte auf. Der Schmelzverlust ist vernachlässigbar klein und beträgt bei der Ablösung einer Eisplatte von 5 mm Dicke etwa 1 bis 2%. Die bei der Venwendung von Flächenheizungen bei Eiskondensatoren beobachteten Störungen treten überraschenderweise nicht auf. Dazu trägt wesentlich bei, dass die Wärmeaustauscherwand eine Vielzahl von Kristallisationsbereichen aufweist, die durch Isolationsbereiche voneinander getrennt sind und dass die elektrische Flächenheizung sowohl die Kristallisationsbereiche als auch die Isolationsbereiche überdeckt. Diese Merkmale wirken funktionell zusammen. Die Heizdauer für die Eisablösung beträgt nur wenige Sekunden, wobei eine elektrische Heizenergie von 15 bis 45 Wh/m2 ausreichend ist. Die Dicke der an der Wärmeaustauschenwand sich bildenden Eisschicht ist bei konstanten Betriebsbedingungen proportional zur Quadratwurzel der Betriebszeit. Kurze Betriebszeiten sind folglich im Hinblick auf die Eisbildung vorteilhaft. Da der Energieaufwand für die Eisablösung gering ist, ist eine Ablösung der Eisschichten in kurzen Zeitintervallen wirtschaftlich sinnvoll und führt zu einer hohen Eiserzeugungsleistung insgesamt. Eine Abschaltung der Wärmepumpenanlage bzw. Kälteanlage während der nur wenige Sekunden dauernden Einschaltung der Flächenheizung ist nicht erforderlich.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Flächenheizung aus einer Haftschicht für einen gradierten Übergang, zwei Isolierschichten aus elektrisch nicht leitendem Werkstoff und einer dazwischen angeordneten elektrisch leitenden Heizschicht besteht, wobei die zwischen der Wärmeaustauscherwand und der unteren Isolierschicht angeordnete Haftschicht und die untere Isolierschicht einen grösseren Wärmedurchlasswiderstand aufweisen, als die die Heiz-

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schicht abdeckende obere Isolierschicht. Auf diese Weise kann die beim Heizvorgang an das Wärmeträgermedium abgegebene Verlustenergie minimiert werden. Durch Wahl unterschiedlicher Dicken der Isolierschichten können verschiedene Wärmedurchlasswiderstände realisiert werden. Es erweist sich fernerhin als zweckmässig, die Isolierschichten aus unterschiedlichen Werkstoffen herzustellen, wobei der Werkstoff der unteren Isolierschicht eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als der Werkstoff der oberen Isolierschicht. Beispielsweise kann die untere Isolierschicht aus Zr02 bestehen, das eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 2 W/mk aufweist, während für die obere Isolierschicht AI2O3 mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 35 W/mK verwendet werden kann. In Sonderfällen, wenn ein ausreichend grosser Abstand der Heizschicht von elektrisch leitenden Bauteilen der Anlage sichergestellt ist, kann die obere elektrische Isolierschicht wegfallen. Für diesen Sonderfall lehrt die Erfindung als bevorzugte Ausführungsform, dass die Flächenheizung aus einer elektrisch leitenden Heizschicht und einer zwischen der Wärmeaustauscherwand und der Heizschicht angeordneten Isolierschicht aus einem elektrisch nicht leitenden Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit sowie einer zwischen der Wärmeaustauscherwand und der Isolierschicht angeordneten Haftschicht für einen gradierten Übergang besteht. Dabei sollen die Haftschicht und die untere Isolierschicht einen grösseren Wärmedurchlasswiderstand aufweisen als ein an der Oberseite der Heizschicht befindlicher Wasserspalt von einigen hundertstel Millimetern Dicke. Die aussenseitig auf der Wärmeaustauscherwand angeordnete Flächenheizung hat nur einen geringen Einfluss auf den Wärmedurchgangskoeffizienten des Wärmetauschers insgesamt. Abhängig von Material und Dicke der die Flächenheizung bildenden Dünnschichten vermindert sich der Wärmedurchgangskoeffizient des Wärmetauschers um 2 bis 6%.

Eine weitere Verbesserung des erfindungsge-mässen Wärmeaustauschers in funktionsgemässer Hinsicht ergibt sich, wenn die Oberfläche der Flächenheizung eine niedrige Grenzflächenenergie gegenüber der umgebenden Flüssigkeit aufweist. Bei niedriger Grenzflächenenergie sind die Flüssigkeitsmoleküle bereits bei einem sehr dünnen Flüssigkeitsspalt zwischen der Wärmeaustauscherwand und der abzulösenden Kristallschicht frei beweglich. Der statische Druck der Flüssigkeitssäule wird daher frühzeitig im Spalt wirksam, mit der Folge, dass der sich ablösende Kristallverbund nach kurzer Heizdauer aufschwimmt. Im Rahmen der Erfindung liegt es, die Grenzflächenenergie durch chemische oder physikalische Behandlungen der Oberfläche der Flächenheizung mit einer oberen Isolierschicht ausbilden, die aus einem geeigneten Werkstoff mit niedriger Grenzflächenenergie gegenüber der umgebenden Flüssigkeit besteht.

Die Dünnschichten der Flächenheizung werden zweckmässigerweise durch ein thermisches Spritzverfahren oder durch chemische Abscheidung aus der Gasphase - CVD-Verfahren - auf die Oberfläche der Wärmeaustauscherwand aufgebracht.

Thermische Spritzverfahren und CVD-Verfahren haben gegenüber physikalischen Schichtabscheideverfahren aus der Gasphase den Vorteil, dass die Flächenheizung auf gekrümmte und abgesetzte Oberflächen aufgetragen werden kann, so dass die zu beschichtende Wärmeaustauscherwand weitgehend frei gestaltbar ist. Insbes. kann die Wärmeaustauscherwand Kristallisationsbereiche aufweisen, die als nach aussen sich erweiternde Ausnehmungen in der Wärmeaustauscherwand ausgebildet sind. Hinsichtlich der Gestaltung der Wärmeaustauscherwand wird auf die DE-AS 2 919 250 verwiesen. Die erfindungsgemässe Flächenheizung, die vorzugsweise eine Gesamtdicke bis 300 um sowie eine Heizleistung von weniger als 50 KW/m2 aufweist, lässt sich ohne weiteres auch auf kompliziert geformte Wärmeaustauscherwände auftragen.

Bevorzugte Anwendungsgebiete des erfindungs-gemässen Wärmeaustauschers sind zum einen Eisspeicheranlagen, die innerhalb eines Speichers ein Eisbett erzeugen, das von Kaltwasser einer Klimaoder Kühlanlage durchströmt wird, und zum anderen Wärmepumpenanlagen, die Oberflächenwasser zum Wärmeentzug nutzen und bei Wassertemperaturen bis 0°C betreibbar sein sollen. Mit dem erfindungs-gemässen Wärmeaustauscher ausgerüstete Eisspeicheranlagen zeichnen sich durch eine grosse und konstante Kühlleistung aus. Bei der Anwendung des erfindungsgemässen Wärmeaustauschers in Wärmepumpenanlagen ergibt sich der Vorteil, dass der Temperaturbereich von Wasser zwischen 0 und 4°C für den Wärmeentzug genutzt werden kann und durch die Nutzung der Vereisungswärme ein verhältnismässig kleines Wasservolumen für den Wärmegewinn ausreicht. Der Einsatz erfindungsge-mässer Wärmeaustauscher verlängert die Nutzungszeitspanne von Wärmepumpenanlagen und ermöglicht einen ganzjährigen Betrieb solcher Anlagen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 einen Querschnitt durch den erfindungsgemässen Wärmeaustauscher, ausschnittsweise,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den erfindungsgemässen Gegenstand gemäss Fig. 1, ebenfalls im Ausschnitt und

Fig. 3 in vergrösserter Darstellung den Ausschnitt A aus Fig. 1.

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Wärmeaustauschers, ausschnittsweise.

Der in den Figuren dargestellte Wärmeaustauscher ist auf dem Boden 1 eines Wasser enthaltenden Flüssigkeitsbehälters angeordnet. Er dient zur Herstellung von Stückeis 2, das durch Entzug von Kristallisationswärme auf dem Wärmeaustauscher gebildet und periodisch abgelöst wird. Der in den Figuren dargestellte Wärmeaustauscher weist eine Mehrzahl paralleler Strömungskanäle 3 auf, die durch eine Wärmeaustauscherwand 4 begrenzt sind. Das in den Strömungskanälen 3 geführte Wär5

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meträgermedium, z.B. eine wässrige Salz- oder Alkohollösung oder ein Réfrigérant, strömt im Ausführungsbeispiel senkrecht zur Zeichenebene. Die Wärmeaustauscherwand 4 weist wärmeleitende Kristallisationsbereiche 5 und wärmedämmende Isolationsbereiche 6 auf. Die Kristallisationsbereiche 5 bestehen aus einem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit, während für die Isolationsbereiche 6 ein Werkstoff mit niedriger Wärmeleitfähigkeit verwendet wird. Insbes. der Fig. 2 entnimmt man, dass die Isolationsbereiche 6 die Kristallisationsbereiche 5 voneinander trennen und dabei umfangsseitig gitterartig einschliessen. Es versteht sich, dass die Kristallisationsbereiche 5 jede beliebige Kontur, insbes. auch eine kreisförmige Gestalt, aufweisen können. Im übrigen erkennt man, dass die Kristallisationsbereiche 5 als nach aussen sich erweiternde Ausnehmungen in der Wärmeaustauscherwand 4 ausgebildet sind. Wie insbes. aus den Fig. 1 und 3 ersichtlich ist, ist auf der Wärmeaustauscherwand aussenseitig eine elektrische Flächenheizung 7 aus Dünnschichten angeordnet, welche die Kristallisationsbereiche 5 und die Isolationsbereiche 6 überdeckt. Die Flächenheizung 7 besteht aus zwei Isolierschichten 8, 9 aus elektrisch nicht leitendem Werkstoff und einer dazwischen angeordneten elektrisch leitenden Heizschicht 10 sowie einer Haftschicht 14. Die zwischen der Wärmeaustauscherwand 4 und der unteren Isolierschicht 8 angeordnete Haftschicht 14 und die untere Isolierschicht 8 weisen einen wesentlich grösseren Wärmedurchlasswiderstand auf als die die Heizschicht 10 abdeckende obere Isolierschicht 9. Um dies zu erreichen, ist die untere Isolierschicht 8 mit etwa dreifacher Dicke s ausgeführt und besteht beispielsweise aus Zr02, das eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 2 W/mK aufweist, während für die obere Isolierschicht 9 beispielsweise AI2O3 mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 35 W/mK ausgewählt worden ist. Zwischen den Isolierschichten 8, 9 befindet sich eine Heizschicht 10, die beispielsweise aus AI2O3-TÌC 30 bestehen kann, und an die ein Kupferleiter 11 für die Stromzuführung angeschlossen ist. Der Kupferleiter 11 und das mit dem Kupferleiter verbundene Stromzuführungskabel 12 sind von einem elektrisch nicht leitenden Isolierlack 13 umgeben.

Der in Fig. 4 dargestellte Wärmeaustauscher ist auf dem Boden 1 eines Wasser enthaltenden Flüssigkeitsbehälters senkrecht angeordnet. Bei ihm werden im Gegensatz zum Wärmeaustauscher nach Fig. 1 zwei Oberflächen zur Wärmeübertragung genutzt. Die parallele Anordnung mehrerer Wärmeaustauscher führt zu einer hohen räumlichen Eiserzeugungsdichte in einem Eisspeicher oder dem Wasserraum des Verdampfers einer Wärmepumpe.

Für den Verdampfer einer Wärmepumpe werden verhältnismässig kleine Kristallisationsflächen 5 gewählt. Die erzeugten kleinen Eisstückchen lassen sich in einem Wasserstrom schwimmend durch Rohrleitungen fördern, wodurch der Aufstellort für den Verdampfer unabhängig vom Entnahmeort des zu vereisenden Wassers gewählt werden kann.

Claims (6)

Patentansprüche

1. Wärmeaustauscher für den Entzug von Kristallisationswärme aus einer Flüssigkeit, insbes. für Wärmepumpenanlagen und Eisspeicherkühlanlagen - mit zumindest einem durch eine Wärmeaustauscherwand begrenzten Strömungskanal für ein Wärmeträgermedium, wobei die Wärmeaustauscherwand wärmeleitende Kristallisationsbereiche und wärmedämmende Isolationsbereiche aufweist und wobei die Isolationsbereiche die Kristallisationsbereiche voneinander trennen und dabei umfangsseitig gitterartig einschliessen, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Wärmeaustauscherwand (4) aussenseitig eine elektrische Flächenheizung (7) aus Dünnschichten (8, 9, 10) angeordnet ist, welche die Kristallisationsbereiche (5) und die Isolationsbereiche (6) überdeckt.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenheizung (7) aus einer Haftschicht für einen gradierten Übergang (14), zwei Isolierschichten (8, 9) aus elektrisch nicht leitendem Werkstoff und einer dazwischen angeordneten elektrisch leitenden Heizschicht (10) besteht, wobei die zwischen der Wärmeaustauscherwand (4) und der unteren Isolierschicht (8) angeordnete Haftschicht (14) und die untere Isolierschicht (8) einen grösseren Wärmedurchlasswiderstand aufweisen als die die Heizschicht (10) abdeckende obere Isolierschicht (9).

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschichten (8, 9) aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, wobei der Werkstoff der unteren Isolierschicht (8) eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als der Werkstoff der oberen Isolierschicht (9).

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Isolierschicht (8) aus Z1O2 und die obere Isolierschicht aus AI2O3 bestehen.

5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenheizung (7) aus einer elektrisch leitenden Heizschicht (10), einer zwischen der Wärmeaustauscherwand (4) und der Heizschicht (10) angeordneten Isolierschicht (8) aus einem elektrisch nicht leitenden Material geringer Wärmeleitfähigkeit sowie einer zwischen der Wärmeaustauscherwand (4) und der Isolierschicht (8) angeordneten Haftschicht (14) für einen gradierten Übergang besteht.

6. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenheizung (7) eine Gesamtdicke bis 300 (im sowie eine Heizleistung von weniger als 50 KW/m2 aufweist.

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